国家科技奖答辩

申报单位：中国矿业大学汇报人：何学秋教授博导二○○六年六月煤矿冲击矿压电磁辐射监测预警技术与装备及其应用2006年国家科技进步奖汇报材料汇报提纲一、立项背景二、主要技术内容与创新点三、技术先进性及知识产权四、推广应用及效益五、推动科技进步作用一、立项背景煤矿冲击矿压灾害煤炭占我国一次能源的70％左右，2005年我国生产原煤21.9亿吨。我国30%以上的原国有重点大中型矿区受冲击矿压威胁。随开采深度及开采强度增加，冲击矿压灾害日趋严重。冲击矿压灾害严重影响煤矿的安全高效生产。煤矿投入大量的人力、物力预防冲击矿压。冲击矿压事故一、立项背景煤矿冲击矿压灾害冲击矿压是采掘空间周围煤岩体中聚集的能量突然大量释放，快速破坏煤岩体，并产生剧烈震动，造成采掘空间严重破坏的煤矿灾害。我国最大的冲击矿压里氏4.3级，破坏巷道500多米，地面震感明显，已成为公共安全问题。冲击后冲击矿压能引起煤岩层和采空区中的瓦斯大量突然涌出，引发瓦斯爆炸事故。安徽淮北芦岭2003年“5.13”顶板冲击诱发瓦斯爆炸事故，死亡84人。辽宁阜新孙家湾2005年“2.14”冲击矿压－瓦斯爆炸事故，死亡214人。

一、立项背景冲击矿压现有的技术不能及时、准确地评价煤矿冲击危险性，迫切需要开发安全、高效的实时连续监测预警技术及装备。

通过向煤体打钻测取钻屑量指标进行预测。需要打钻、易诱发灾害，是静态预测，难以反映煤岩破坏过程信息，无法实现动态监测预警。一、立项背景冲击矿压预测技术现状预测方法有钻屑法、声发射法、微震法、围岩变形法等。在我国得到普遍应用的是钻屑法。二、主要技术内容与创新点研究思路：实验—理论—技术与装备—推广应用理论、实验室和现场试验研究煤岩冲击破坏过程电磁辐射效应规律冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术及装备现场推广应用验证和完善技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律

冲击矿压发生过程冲击矿压是一种动态演化过程导致的突发性灾害。实时监测煤岩冲击的演化过程是对灾害有效预测的重要途径。煤岩冲击破坏过程中产生电磁辐射（EME），是能量耗散的一种形式。载荷越大，变形破裂过程越强烈，电磁辐射越强。煤岩冲击破坏之前，电磁辐射及其变化率有显著的增加。通过电磁辐射可以实时监测煤岩破裂过程。技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律

煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律实验室测试曲线电磁辐射是宽频的，主频段是变化的，随破坏程度增加向高频段迁移煤岩动力过程必须监测宽频电磁辐射信号，采用双指标（E，N）监测电磁辐射频谱特征技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律

煤岩冲击破坏过程的电磁辐射频谱特征大量的现场试验研究表明：冲击矿压发生前，电磁辐射及其变化率有显著的增加。通过电磁辐射可以实时监测冲击矿压过程，预报冲击矿压。技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律

现场煤岩的电磁辐射规律兖州济二矿2303工作面前方动压区电磁辐射分布新汶华丰煤矿3406工作面冲击与电磁辐射研究得到了煤岩破裂过程电磁辐射的力电耦合模型：实验模拟式中，—应变；－轴向应力和环向应力；—Weibull分布的分布标度和以应变形式表征的形态参数；—电磁辐射脉冲数增量和累计脉冲数；—完全破坏的电磁辐射累计脉冲数。

技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律

煤岩电磁辐射理论模型技术内容二：

冲击矿压电磁辐射非接触实时监测预警装备在线式监测仪接收天线主机远程传输电缆便携式连续监测仪接收天线主机主要技术参数及特点：监测信号：宽频带（1k~500kHz）电磁辐射信号监测指标：电磁辐射强度E和脉冲数N两个指标监测预警方式：非接触、定向区域、实时监测及预警防爆型式：矿用，本质安全型装备关键技术：宽频带、高灵敏度、定向抗干扰接收天线；电磁辐射信号采集及数据处理技术；冲击危险性电磁辐射信息分析判识技术及软件；矿用本安型设计制造技术。A/D转换CPU防爆本安电源显示与预警监测主机地面监测预警中心接收天线放大滤波信号输出KJ系统分站井下部分防爆本安数据存储技术内容二：

冲击矿压电磁辐射非接触实时监测预警装备由煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律及电磁辐射理论模型建立了冲击矿压危险性的电磁辐射预测准则：电磁辐射的强度、脉冲数是冲击矿压前兆的敏感指标，其大小和变化率超过临界值就有冲击矿压灾害危险。式中，和分别为有弱危险和强危险时电磁辐射脉冲数的临界值系数；和分别为有弱危险和强危险时的电磁辐射强度临界值系数；

E为电磁辐射强度；N为电磁辐射脉冲数；为应力。技术内容三：冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术冲击矿压预测准则根据预测准则和大量实验，确定了临界值与动态趋势相结合的预测方法，实现分级预警。无危险弱危险强危险临界值E<1.3EwN<1.7NwE≥1.3Ew或N≥1.7NwE≥1.7Ew或N≥2.3Nw动态趋势KE<1.3KN<1.7或KE≥1.3或KN≥1.7或KE≥1.7或KN≥2.3措施不需采取措施需要采取措施撤人或立即措施EME强度动态趋势系数KEEME脉冲数1.3Ew1.7Ew1.7Nw2.3Nw1.3KN1.71.72.3安全弱危险强危险技术内容三：冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术冲击矿压分级预警技术技术内容三：冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术冲击矿压监测技术监测方法监测方式：在采掘工作面集中区布置2－3个接收仪，天线朝向被监测区域，随工作面推进前移。监测仪进行实时监测及预警，并将结果传输到地面监测预警中心。监测到有冲击危险时，及时预警并采取解危措施。工程应用过程

实验室煤岩冲击倾向性鉴定实时监测危险区域监测技术三级预警技术分级预警弱危险边作业，边治理强危险停止作业，撤人，治理有危险无危险电磁辐射监测预警装备本项目的主要创新点研究并揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律，提出了电磁辐射法非接触、连续监测预警冲击矿压的原理。提出了冲击矿压电磁辐射监测预警技术，实现了冲击矿压的定向、非接触、连续监测和危险性的分级预警。开发了矿用本安型冲击矿压非接触、实时监测预警装备。预警原理创新预警技术创新预警装备创新徐州三河尖矿可采储量3.01亿吨,年产180万吨。危险区占开采储量的五分之三（1.8亿吨），有些采区因动力灾害而被迫停采。采用电磁辐射预测，恢复生产，解放了资源。现已安全回采6个面，生产煤炭150万吨。预报有危险应用实例：（一）徐州三河尖煤矿9202工作面，开采深度已达850m，上覆有7煤7202工作面残留的煤柱，应力集中程度相当严重。煤柱区垂直应力分布（集中系数10以上）应用实例：（一）徐州三河尖煤矿采用电磁辐射技术成功地进行监测预警，并采用卸压方法进行了解危。9202工作面已安全回采完毕。煤柱区卸压爆破前后电磁辐射幅值变化应用实例：（一）徐州三河尖煤矿应用实例：（一）徐州三河尖煤矿无危险有危险无危险有危险7204工作面冲击严重，采用电磁辐射技术保证了安全预警。预测有危险,采取措施不到位发生冲击灾害（在24日中班预报有危险，安排25日卸压，需8个钻孔，仅打4个，卸压未到位，在26日中班发生冲击矿压)新汶华丰矿年产140万吨,-500m以下受冲击矿压的威胁。

02年开始使用电磁辐射技术,现已安全生产5个面，采煤300万吨。应用实例：（二）华丰煤矿新汶华丰煤矿1409工作面监测预警曲线（04年02月15日－04年04月11日）0.7级冲击1.0级冲击1.0级冲击应用实例：（二）华丰煤矿木城涧煤矿是北京昊华能源股份公司的主产矿井，冲击矿压较为严重。2004年4月开始采用电磁辐射技术监测冲击矿压及顶板稳定性。5.26冒落120m25.27冒落1000m2木城涧煤矿3段采掘平面图应用实例：（三）北京木城涧煤矿波兰煤矿冲击矿压严重，70%的煤矿有冲击危险。波兰对本技术高度重视。中－波政府科技合作项目《采动覆岩运动型冲击矿压机理及防治研究》应用实例：（四）波兰zofiowka矿Zofiowka煤矿年产300万吨,－600m以下受冲击矿压的威胁。本技术在该矿进行了成功应用。危险区域应用实例：（四）波兰zofiowka矿监测指标：电磁辐射强度和脉冲数实现功能：非接触、连续监测及分级预警准确率：预测无危险100%，有危险＞70%技术成熟度：技术成熟度高，适用范围广防爆型式：矿用，本质安全型三、技术先进性及知识产权（一）主要技术经济指标比较项目本项目国内国外非接触、实时监测预警装备√——实时动态预警技术√——安全性好可能诱发灾害可能诱发灾害准确率预测无危险100％预测有危险>70%60%60%三、技术先进性及知识产权（二）国内外比较本申请项目共获3项专利：获得国家发明专利授权1项（ZL98111185.8）获得实用新型专利授权1项(ZL01272808.X）申请发明专利待授权1项(公开号：CN1619340）三、技术先进性及知识产权（三）知识产权情况具有自主知识产权本技术装备通过国家防爆安全、质量性能检验（MA

，Ex），获得生产和使用许可。三、技术先进性及知识产权（四）行业认证四、应用及效益（一）推广应用情况在30多个不同类型的冲击矿压煤矿、矿区进行了广泛的推广应用。全国约70%冲击矿压严重矿区已采用该成果。序号应用单位序号应用单位1徐州三河尖煤矿18阜新五龙煤矿2新汶华丰煤矿19阜新海州立井3新汶协庄煤矿20阜新王营矿4新汶孙村煤矿21曲阜单家村煤矿5兖州东滩煤矿22大屯孔庄煤矿6兖州济二矿23抚顺红透山铜矿7兖州济三矿24临沂古城煤矿8兖州鲍店煤矿25开滦唐山矿9鹤岗新安煤矿26开滦赵各庄矿10鹤岗南山矿27义马千秋煤矿11鹤岗峻德煤矿28徐州天能龙固煤矿12鹤岗富力煤矿29四川煤矿安全监察局13鹤岗大陆矿30辽宁煤矿安全监察局14大同煤峪口矿31山东煤矿安全监察局15大同同家梁矿32北京木城涧煤矿16大同忻州窑矿33天安星村煤矿17抚顺老虎台煤矿34四、应用及效果（二）社会经济效益经济效益显著,据不完全统计，应用单位2003-2005年三年累计获得直接经济效益5.8亿元。有效地预防了冲击灾害，避免了人员伤亡，保障了安全生产，社会效益显著。整体达到国际先进水平，对不同类型的煤矿具有普遍适用性。技术和装备实现了产业化,被列入国家重点推广计划,在约70%冲击矿压严重威胁的国有重点煤矿区得到推广,提高了冲击矿压治理的针对性和有效性,经济社会效益显著。五、推动科技进步的作用（一）对行业科技进步的作用五、推动科技进步的作用（一）对行业科技进步的作用提升了煤矿冲击矿压防治的技术和装备水平，促进了安全高效生产，得到了行业的认可，对我国煤矿安全科技进步具有重要实际推动作用。随着开采深度增加，煤矿冲击矿压灾害将日趋严重，技术成果具有广泛的应用前景。五、推动科技进步的作用（二）对学科领域的促进作用为认识煤岩破裂过程提供了一种新的有